某水電站壩前右岸拉裂變形體穩(wěn)定性分析

況磊強(qiáng),楊曉娟,費(fèi)文平,陳科文,崔華麗

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,成都 610065)

1 概 述

拉裂變形體(簡稱拉裂體)是指邊坡在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力場下快速卸荷引起的巖體淺表層改造,形成卸荷松動巖體[1]。拉裂體是一類特殊的危巖體,具有明顯拉裂變形、節(jié)理松動、巖體架空特征,是我國西南峽谷地區(qū)工程建設(shè)所要面臨的一種復(fù)雜的工程地質(zhì)和巖土工程問題[2]。作為一種特殊的地質(zhì)分離體,其穩(wěn)定評價方法尚不成熟。表1列出了我國部分已建或在建水電站出現(xiàn)拉裂變形體的工程,拉裂體邊坡的穩(wěn)定性研究具有重要的工程意義。本文采用極限平衡法和監(jiān)測手段,以某水電站壩前右岸拉裂變形體的一個斷面為研究對象,對施工期穩(wěn)定性進(jìn)行探討,以期為其他類似工程作借鑒。

表1 我國已建或在建水電站出現(xiàn)拉裂變形體的工程Table 1 Tension-fracture deformations in rockmass appearing in hydropower stations in China

2 工程簡介

某水電站最大壩高為186 m,水庫正常蓄水位850.00 m,水庫總庫容53.37億m3,電站裝機(jī)總?cè)萘? 300 MW。

壩前右岸拉裂變形體,位于右岸壩軸線上游約780 m左右。如圖1所示,拉裂體前緣高程約為730.00 m,后緣高程約為1 187.00 m,前后緣平面長約400 m,寬約360 m,高差 450 m。

圖1 拉裂體平面圖Fig.1 Plane view of the tension-fracture rock mass

該變形體為一凸出的山包,兩側(cè)有深 10～35 m淺溝切割。岸坡坡度在高程980.00 m以下近 50°,高程980.00 m以上近 40°。拉裂體岸坡出露地層主要為中前震旦系淺變質(zhì)玄武巖和震旦系下統(tǒng)中基性火山巖,夾多層凝灰質(zhì)砂礫巖。坡體內(nèi)構(gòu)造發(fā)育,共揭露斷層、錯動帶 93條,主要發(fā)育方向為順層擠壓性質(zhì)的北西向中陡傾坡內(nèi)(SW傾向)結(jié)構(gòu)面和順坡北西走向的陡、中、緩傾坡外(NE傾向)結(jié)構(gòu)面。巖體以弱風(fēng)化為主,巖體卸荷、松弛較強(qiáng)烈,巖體強(qiáng)卸荷深一般為30～60 m,最深約70 m;弱卸荷一般為65～90m,最深約100m。卸荷、松弛巖體中局部充填次生泥和次生泥膜。

該變形體規(guī)模巨大,距大壩較近,位置較高,所處位置敏感,其破壞方式、穩(wěn)定狀況、發(fā)展趨勢直接影響著施工期導(dǎo)流洞、上游圍堰以及電站運(yùn)行期間廠房進(jìn)水口和大壩的安全。

3 拉裂體邊坡穩(wěn)定性計算

本文首先利用二維極限平衡法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,計算程序采用通用商業(yè)軟件 GEOSLOPE公司開發(fā)的SLOPE/W。以圖1中縱 1-1斷面為例,采取滑面搜索的方法確定最危險滑動面的范圍及邊界條件。天然狀態(tài)下最終確定的滑動面如圖2所示。分別計算了加固前后天然蓄水、正常蓄水、正常蓄水 +水位驟降 3種工況下的穩(wěn)定性。其中治理后模擬邊坡加錨索措施,采用搜索滑動面粗略計算,Morgenstern-Price法計算邊坡的安全系數(shù)如表2所示。

圖2 最危險滑面位置Fig.2 Location of the most dangerous sliding surface

表2 拉裂體的安全系數(shù)(M-P法)Table 2 Safety factor of the tension-fracture rock mass

由表2可知,若不進(jìn)行加固,工程邊坡安全系數(shù)較小,蓄水后更加不能滿足規(guī)范允許安全系數(shù),加固后安全系數(shù)均在1.25以上,能滿足要求。

4 安全監(jiān)測與穩(wěn)定性分析

4.1 監(jiān)測儀器布置

監(jiān)測以內(nèi)、外觀并重的原則,并充分利用已有的平硐。如圖1所示,監(jiān)測變形設(shè)計的項目包括:地表三維變形測量,在已有水平勘探硐進(jìn)行測斜及水平位移觀測等。另外,在新縱 1-1、新縱 2-2、新縱 6-6剖面設(shè)有 4個垂直孔 BZK01～04,用做垂直測斜。

以縱 1-1剖面為監(jiān)測縱剖面為例,自上而下分別在硐 7、硐 11、硐 6和硐 9四個勘探水平硐內(nèi),沿硐軸線水平布置測斜導(dǎo)管,管外安裝磁感應(yīng)環(huán),采用滑動測微計觀測沿硐軸線方向(即左右岸方向)的水平變形。垂直測斜孔 BZK01用來測左右岸坡方向和上下游方向變形。外觀觀測點(diǎn) T03,T07,T11可以對該部位不同高程進(jìn)行三維變形觀測,T13可用以檢測外側(cè)坡體的穩(wěn)定性(工作基點(diǎn)設(shè)在河對岸)。

測斜儀是一種量測儀器軸線與鉛垂線之間夾角變化量的儀器[3],通過量測變化量進(jìn)而計算出巖土層各點(diǎn)的水平位移。測斜儀套管一般安裝在近似垂直的鉆孔內(nèi),鉆孔需預(yù)料可能發(fā)生位移的區(qū)域,套管的底部嵌入穩(wěn)定的基巖作為基準(zhǔn)?；瑒訙y微計是一種手提式高精度變形測量儀器,用以測定鉆孔中相距 1m的兩點(diǎn)間的位移差,也可以說是一種手提式應(yīng)變計,它能準(zhǔn)確地測定鉆孔軸向的應(yīng)變分布規(guī)律[4]。鄧建輝等[5]利用滑動測微計監(jiān)測數(shù)據(jù)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,取得了較好的效果。

4.2 安全監(jiān)測成果分析

以縱 1-1剖面(監(jiān)測布置見圖1)為例,外觀觀測點(diǎn)T03、垂直測斜孔 BZK01的測斜儀IN1、11#水平探硐的滑動測微計INH3的監(jiān)測成果曲線分別見圖3至圖5。T03在該斷面的中上部,其測點(diǎn)高程981.781 m;BZK01孔測斜儀深49 m,其孔口在拉裂體后緣部位;滑動測微計安裝在拉裂體中部位置,孔口高程861.748 m。其中,外觀觀測以 2008年6月13日取得基準(zhǔn)值,變形基點(diǎn)設(shè)在對岸的相對不動點(diǎn),x向指上下游方向,向下游為正,y向指左右岸方向,向臨空面(河中心)為正,z向指垂直方向,以下沉為正。測斜儀以 49 m孔深處為基準(zhǔn),合位移指 A向位移(左右岸方向)、B向位移(上下游方向)的有向和?；瑒訙y微計 INH3以98.5 m深孔底當(dāng)做基準(zhǔn)點(diǎn),累計位移從孔底開始,以每1.0 m套管相對變形累加。

圖3 外部變形觀測點(diǎn)T03各向變形曲線Fig.3 Curves of the outer deformation at measuring point T 03

圖4 測斜儀 IN1累計合位移-深度關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of accumulatively resultant displacement versus depth obtained by the inclinometer IN1

圖5 滑動測微計INH3孔深-累計位移曲線Fig.5 Relation curves of accumulatively resultant displacement versus depth obtained by the sliding micrometer INH3

監(jiān)測成果表明,拉裂體邊坡變形主要以左右岸方向為主,可能存在一個滑動帶。

由圖3可知,外觀測量點(diǎn) T03向臨空面位移達(dá)到79.56mm,三向合位移81.14mm,可以看出,變形主要以左右岸方向為主。

由圖4可知,IN1孔口累計位移70.46mm。從測斜孔孔口到孔底深度范圍可分為4段:第1段為孔口至孔深5.5m段,處于覆蓋層表面,存在一定變形;第2段為孔深5.5～15.5 m段,各點(diǎn)位移基本一致,近乎一直線,5.5 m處累計位移為55.86 m,15.5 m處累計位移為53.30mm;第3段為孔深15.5～23.5 m段,各點(diǎn)變形成一個斜率很小的線,該段變形占總體變形72.9%,是邊坡變形的主要部分;第4段為孔深23.5 m至孔底段,各點(diǎn)位移在0附近近乎成一垂線,各點(diǎn)與初始安裝時無變形。

由圖5可知,INH3到 2009年4月孔口累計位移23.5mm,孔深62.5～63.5 m段錯動變形量為7.3mm,占總變形的30.9%,在2008年12月該段變形占總變形的比例曾最高達(dá)到48.5%。除該段外,各段變形都較小,直線斜率不變,變形一致。

變形呈現(xiàn)出以下規(guī)律:①變形均表現(xiàn)為向河中心方向的正位移,并以該方向為主要變形方向;②拉裂體頂部高程變形量大于底部變形,表3是不同高程孔口累計(合)變形量值,728.97 m高程 9#探硐孔口變形量最小,為1.50mm,最大變形量為外觀點(diǎn)T03為79.56mm;③拉裂體地質(zhì)條件相對薄弱處變形是變形的主要部分,如 IN1的孔深15.5～23.5 m段,INH3的62.5～63.5 m段,這些部位均處巖體變化處(見圖6)。

表3 縱 1-1斷面部分監(jiān)測點(diǎn)變形量統(tǒng)計表Table 3 Displacements of monitoring points at section 1-1

圖6 可能滑動面示意圖Fig.6 Layout sketch of a possible sliding surface

4.3 可能滑動面分析及滑動趨勢分析

由圖4和圖5可知,測斜孔 BZK01存在一個距孔口約20 m、深約8 m的破碎帶,11#探硐在深 63 m處也存在一個寬小于1 m的薄弱層,將兩孔出現(xiàn)位錯的大概位置連接,形成的可能滑面 1如圖6所示。

從圖6中可以看出,可能滑動面 1基本與強(qiáng)卸荷下限重合,可以推斷可能滑動面 1即為強(qiáng)卸荷下限。BZK01的“錯動帶”跨越卸荷松動體和弱卸荷下限,11#探硐 “錯動帶”的規(guī)模、錯動距離都比BZK01孔的“錯動帶”要小很多,卸荷松動體線推斷為可能滑動面 2。

鑒于拉裂體的重要性,而拉裂體地質(zhì)較為破碎,從開工到 2008年8月,該處發(fā)生多次局部淺表部位拉裂滑塌失穩(wěn)現(xiàn)象[6],2008年6-12月對拉裂體進(jìn)行了大規(guī)模加固措施。治理主要措施兼顧淺部和深部,采用錨索、錨筋束和錨桿相結(jié)合的綜合治理措施,表面噴有混凝土,坡腳鎖固區(qū)采用貼坡混凝土和錨索加固。此外,處理工作還包括清坡、排水、裂縫回填等。

圖7為IN1孔深15.5～23.5 m合位錯以及滑動測微計INH3孔深62.5～63.5 m水平向錯動的時間曲線。

圖7 “錯動帶”的錯動-時間曲線Fig.7 Relation curves of fracture zone's displacement-time

由圖可知,2個測點(diǎn)的變化趨勢相似,從開始觀測到 2008年12月,曲線的斜率基本保持不變,表明錯動一直處于發(fā)展過程中。進(jìn)入加固處理的后期,邊坡錯動的速率明顯趨緩。例如,IN1測斜孔和位錯速率 2008年3月達(dá)到14.7mm/月,到 2009年4月降到0.9mm/月,滑動測微計 INH3錯動速率觀測初期為1.0mm/月,到 2009年4月降到0.1mm/月。隨著邊坡處理的逐步結(jié)束,變形速率明顯趨緩,變形基本收斂,施工期的拉裂體邊坡趨于穩(wěn)定。

上述分析表明:錨索、錨桿和錨筋束以及坡腳外加混凝土貼坡的方法對拉裂體的加固是有效的。

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法,結(jié)合地質(zhì)資料,對某水電站壩前右岸拉裂變形體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與評價。主要結(jié)論如下:

(1)拉裂體邊坡在二維極限平衡分析中通過滑面搜索技術(shù),在正常蓄水位 +水位驟降工況下邊坡的安全系數(shù)為1.071,需進(jìn)行加固設(shè)計;加固后計算安全系數(shù)為1.407,滿足要求。

(2)該拉裂變形體頂部高程變形較大,“破碎帶”錯動是變形的主要原因,頂高程 BZK01測斜孔和中高程 11#探硐的“破碎帶”變形占變形的總比例分別達(dá)到72.9%和30.9%。

(3)隨著加固的逐步結(jié)束,邊坡變形基本收斂,表明本工程加固合理到位,通過該工程研究與分析,可為今后其他類似工程施工提供重要參考和借鑒。

(4)在邊坡的運(yùn)行和治理過程中,現(xiàn)場監(jiān)測是一項非常必要的施工控制技術(shù),有效監(jiān)測數(shù)據(jù)能較好地反映當(dāng)前邊坡的運(yùn)行狀態(tài),不僅對支護(hù)加固效果做較好的監(jiān)測,還能對施工起到較好的指導(dǎo)作用。

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